超級電容器作為一種重要的能量儲存裝置,因其具有比傳統(tǒng)電容器更高的能量密度、比電池具有更高的功率密度而受到廣泛關(guān)注。電極材料的性質(zhì)是決定超級電容器性能是否優(yōu)異的關(guān)鍵因素,碳材料是比導(dǎo)電聚合物和金屬氧化物應(yīng)用的更早、更廣泛的材料,近些年雖然有眾多研究者對常見的用于超級電容器的碳材料做了大量研究,但仍然難以取得突破性的進(jìn)展。單一的碳材料往往因?yàn)樽陨淼木窒扌?或是導(dǎo)電性差,或是有效比表面積不高等,因而難以在超級電容器各方面都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,而將不同的碳材料經(jīng)過復(fù)合制備成復(fù)合材料是改善超級電容器性能的一種有效的手段。在本研究中,首先以對苯二酚和甲醛作為主要原料設(shè)計和制備了一種具有全新的微觀形貌的碳材料-碳納米帶(NCNBs),通過控制碳化和活化工藝,制備出了具有多級孔結(jié)構(gòu)的的氮氧共摻雜碳納米帶,形成相互連接的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),并將其作為超級電容器電極材料。結(jié)果表明,NCNBs-45表現(xiàn)出較大的比電容值(電流密度為0.25 A/g時的比電容為255 F/g)、優(yōu)異的倍率性能(在電流密度為150 A/g時比電容值為初始比電容的66.5%)、和良好的循環(huán)穩(wěn)定性(在5 A/g的電流密度下經(jīng)過10000次的充放電循環(huán),NCNBs-45依然可以保持96.2%的初始容量)。接著,用一步法制備了一定氮含量的中空碳納米微球前驅(qū)體,經(jīng)過碳化和活化工藝處理后,獲得具有多級孔結(jié)構(gòu)的氮氧共摻雜中空碳納米微球(HCNs)。結(jié)果表明,所制備的中空碳納米微球的比表面積最高可達(dá)2693 m~2/g,將所制備的中空碳納米微球作為超級電容器電極,HCNs-45表現(xiàn)出最大的比電容值(在電流密度為0.25 A/g時的比電容為387 F/g)、較好的倍率性能(在電流密度為20 A/g時的比電容值為152 F/g)和良好的循環(huán)穩(wěn)定性(在5 A/g的電流密度下,經(jīng)過10000次的充放電循環(huán),HCNs-45依然可以保持92.5%的初始容量)。最后,由于復(fù)合材料可以取長補(bǔ)短,充分發(fā)揮各組元性能優(yōu)勢,賦予復(fù)合材料新的性能�；谇捌谘芯堪l(fā)現(xiàn),碳納米帶具有良好的導(dǎo)電性和優(yōu)異的倍率性能,而中空碳納米微球具有氮含量較高、比電容值高的優(yōu)點(diǎn)。本研究將這兩種材料經(jīng)過復(fù)合,制備了具有多級孔結(jié)構(gòu)的氮氧共摻雜碳納米帶-中空碳納米微球復(fù)合材料(NCHCs)。結(jié)果表明,將氮氧共摻雜碳納米帶-中空碳納米微球組裝于超級電容器電極,NCHCs-50%表現(xiàn)出最大的比電容值(在電流密度為0.25 A/g時的比電容為348 F/g)、優(yōu)良的倍率性能(在電流密度為150 A/g時的比電容值為135 F/g)和良好的循環(huán)穩(wěn)定性(在5 A/g的電流密度下,經(jīng)過10000次的充放電循環(huán),NCHCs-45依然可以保持93.8%的初始容量)。
【學(xué)位單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ127.11;TM53
【部分圖文】：

氮氧共摻雜多級孔碳材料制備及其超級電容器性能研究.2.1.1 雙電層電容器的儲能原理早在 19 世紀(jì)，Von Helmholtz[9]就在交替懸浮液的研究中第一次提出了雙電概念，還對其進(jìn)行了建模，后來 Gouy 和 Stern[10, 11]又將此模型不斷完善，從得到了現(xiàn)在的雙電層電容理論。該理論認(rèn)為，當(dāng)把電極浸入電解液中，并給施加一個小于電解液分解電壓的電場時，在原子間作用力、范德華力以及庫的作用下，電極表面上存在的電荷會吸引電解液中的離子，因此會在電解液極之間形成一個電荷數(shù)量一樣但正負(fù)相反的雙電層，從而產(chǎn)生電勢差。這個層的厚度一般只有一個水分子直徑的大�。�4×10-10m），正是這種非常小的分離距離使得雙電層電容器相對于傳統(tǒng)電容器來說具有驚人的靜電容量，這超級電容器的“超級”所在。

一理論是 Conway[11]率先提出來的，這礎(chǔ)上所建立的。該理論認(rèn)為電極表面發(fā)，因此法拉第贗電容器并不是真正意義于法拉第氧化還原反應(yīng)，用以儲存和釋電化學(xué)活性物質(zhì)在電極的表面或電極生欠電位沉積，使電極材料發(fā)生快速可雜與脫摻雜過程從而儲存高密度電荷池儲能機(jī)理之間的一種過渡，在一般情電容的。圖 1-2 是贗電容的儲能機(jī)理示還原反應(yīng)是基本相同的，但是其充放高了電荷的存儲密度，但是也帶來超級

表 1-1 雙電層電容器和法拉第贗電容器的差別雙電層電容器 法拉第贗電容器雙電層儲能機(jī)理 氧化還原反應(yīng)儲能機(jī)理比電容相對較低 比電容相對較高適合大電流充放電 不適合大電流充放電導(dǎo)電率高、內(nèi)阻低 導(dǎo)電率低、內(nèi)阻高恒流充放電時電位線性變化 往往存在特征放電電位電容量隨電壓恒定 電容量不隨電壓恒定級電容器的結(jié)構(gòu)-3 是超級電容器的結(jié)構(gòu)示意圖，超級電容器的結(jié)構(gòu)與電池類似浸入電解液中，中間用隔膜隔開以阻止電接觸，此外還有集流

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8 付韞s

本文編號：2810785